用于地质灾害监测的光纤传感技术

光纤传感技术是工程测量领域的高新技术。光纤传感器以光作为信息载体，以光纤作为信息传输介质。它具有抗电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度高、响应快、重量轻、体积小、形状可变、传输带宽大、可重复使用的分布式测量等突出优点。广泛应用于高层建筑、智能建筑、桥梁、高速公路的在线动态检测。2006-2010在“十一五”科技支撑计划重点项目和中国地质调查局地质调查项目的支持下，研制了具有自主知识产权的光纤光栅监测解调系统和分布式光纤应变监测系统，并应用于三峡库区地质灾害监测，取得了良好的效果。

光纤传感技术是通过测量一些参数(如强度、相位、频率、偏振态等)来测量环境参数。)在光纤中传输的光。分布式光纤传感技术以其可重复使用、分布式、长距离传输等优点成为光纤传感技术中最有前途的技术之一，是光纤传感监测技术的发展趋势。其中，光纤布拉格光栅(FBG)和布里渊光时域反射(BOTDR)是两种最具代表性的分布式光纤传感技术。

FBG是一种准分布式光纤传感器。FBG获得的测量信息在空间上不是连续分布的，但它可以同时监测大范围内的多个点。布拉格光栅是光纤中折射率周期性变化的一种光栅，不同周期其反射光波长不同。当具有布拉格光栅的光纤被拉伸或压缩并且其温度改变时，其周期改变，反射光的波长也改变。通过测量反射光的波长变化，可以知道光纤的应变或温度值。光纤布拉格光栅的测量原理如图1所示。

图1光纤光栅测量原理

BOTDR主要利用光波在光纤中传播产生的后向布里渊散射光的频谱和功率特性与外界环境(温度、应变等)有关的特性。).图2是光纤中反向散射光的光谱分布图。

从图2可以看出，在布里渊散射中，散射光的频率相对于泵浦光具有布里渊频移。当光纤的材料特性受到温度或应变的影响时，布里渊频移会发生变化。因此，通过测量脉冲光的后向布里渊散射光的频移，可以实现分布式温度和应变测量。

图2光纤中反向散射光的光谱分布

大量理论和实验研究证明，当环境温度变化小于等于5℃时，光纤轴向应变与布里渊散射光频率漂移的关系可以表示为

VB(ε)= VB(O)+Cε

其中:VB(ε)为光纤应变时布里渊散射频率的漂移；VB(O)是光纤无应变时布里渊散射频率的漂移；c为光纤的应变系数，一般为50m Hz/με；ε是光纤的实际轴向应变。BOTDR应变测量原理如图3所示。

图3 BOTDR应变测量原理

中国地质调查局水文地质环境地质研究中心通过攻关，在地质灾害监测光纤传感技术方面取得了成果，包括一系列光纤光栅传感器、光纤监测仪器和光纤监测方法。具有自主知识产权，在国家重大工程的滑坡、边坡稳定、健康监测中能起到很好的作用。

1)基于光栅传感技术，光栅应变传感器、位移传感器、光栅钢应变片三类光栅传感器具有自主知识产权，性能达到同类产品水平。与国内同类产品相比，经济成本降低50%，获得“滑坡裂缝监测光纤光栅传感装置”(专利号:ZL200820135234.7)“光纤光栅传感器”。

图4光纤布拉格光栅监测解调器

2)利用光波分复用技术对光纤光栅传感器阵列进行解调，研制的光纤光栅监测解调仪(图4)可实现波长解调范围40nm，解调精度5pm，并实时传输监测数据。技术性能达到国际同类技术产品水平，经济成本比国内外同类产品降低30%，并在三峡库区滑坡裂缝监测中得到实际应用。

3)利用微波电光调制和光学相干检测技术，研制出具有自主知识产权的分布式光纤应变监测系统(图5)样机。测试距离可达20km以上，空间分辨率为5m，应变测量精度为100με，技术性能接近国际同类产品水平，经济成本降低30%，并在三峡库区滑坡监测中得到应用。

图5分布式光纤应变监测系统

4)探索了FBG和BOTDR联合监测滑坡的应用方法。实验表明，FBG和BOTDR联合监测滑坡，在整个滑坡上铺设监测光纤，利用BOTDR技术可以获得整个滑坡的大致信息；在滑坡变形的关键部位——变形缝处安装FBG传感器，利用其较高的监测灵敏度，可以获得滑坡某些关键部位的应变值，不仅可以克服BOTDR监测空间分辨率低的缺点，还可以弥补FBG只能测量离散点的不足，实现滑坡监测由点到线再到面，获得滑坡更完整的应变信息。

二、适用范围及应用实例

FBG传感器测量精度可达0.0065438±0%，系统测量时间短，可实现实时监测。基于这些优点，FBG被广泛应用于结构检测(如桥梁和隧道的健康监测)。用于地质灾害监测时，主要用于监测变形较大的构筑物的变形，用于滑坡监测时，主要用于监测滑坡后缘或已知裂缝的实时变化。

BOTDR传感技术中使用的光纤小巧、柔软、柔性好，可以在不影响矩阵性能的情况下，以任何形式组合在矩阵结构中。只要测量整个测试光纤的布里渊散射功率和频率，就可以得到光纤各部分的应变和温度分布。传感技术系统最大的优点是光纤既是传感元件又是传输介质，属于分布式监测，可以满足远距离、不间断监测的要求，便于与光纤传输系统组网，实现系统的遥测和控制。用于地质灾害监测时，可将光纤以神经网络的形式植入监测体内，从线到面进行全程监测。

光纤传感技术在残联滑坡监测中的应用:

残联滑坡位于重庆市巫山县新县城中心，属河谷斜坡地形。虽然采取了“清淤减荷+格构锚杆+趾墙+地表排水”的方案进行治理，但滑坡下部仍有明显的地表变形。鉴于此，2004年8月，采用BOTDR技术对其进行监测，2006年6月，10，在其关键变形部位安装FBG应变传感器(图6)。

图6残联滑坡下部分布式光纤网络及关键部位FBG传感器安装。

BOTDR监测显示(图7)沿光纤有四个明显的高应变异常段，成对对称(光纤放回)。C1异常段对应剖面92 ~ 93，C2异常段对应剖面142 ~ 143。宏观调查显示，这两个地方存在明显的拉伸裂缝和剪切变形，FBG监测数据(图8)也显示变形仍在继续。截至2010年5月，裂缝变形应变已达642.76με。这样，通过FBG和BOTDR的联合监测，不仅得到了滑坡沿剖面方向的应变分布，而且加强了对关键变形部位的监测。

图7残联滑坡下部BOTDR监测应变沿光纤分布图。

图8光纤光栅监测应变随时间变化的示意图

第三，促进转变方式

地质灾害光纤传感技术成果可以通过宣传、会议交流、人员培训、技术咨询等方式提高市场认知度。一系列具有自主知识产权的光纤光栅传感器、光纤光栅监测解调仪、分布式光纤监测系统，可以转化为监测技术相关产品，直接在市场上销售。可以通过示范工程推广光纤监测地质灾害的技术方法。

技术支持单位:中国地质调查局水文地质环境地质调查中心。

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